JP2004521747A - 摩擦撹拌溶接のための改良されたプロセスおよび装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦撹拌溶接プロセスのための方法を提供し、それは、従来の撹拌溶接のステップを備え、加工品に下方に押しつけられる大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入される探針を有する回転工具（２０）によって溶接される加工品の領域に摩擦を印加するステップを含んでいる。工具は、溶接ラインに沿って進められる。その方法は、そのうえに、レーザービーム（２８）を発生するステップと、回転工具の前方の溶接領域（２９）における加工品に前記ビームを平行にして、集束するステップとを備えている。本発明は、さらに、摩擦撹拌溶接のための装置を提供し、その装置は、従来の撹拌溶接装置の要素を備え、大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入する探針を有する回転工具（２０）と、その工具を保持し、それを回転して、進めるメカニズムと、加工品に下方に工具の肩部を押しつけるメカニズムと、加工品をクランプで締めるメカニズムとを含んでいる。その装置は、さらに、レーザービーム発生器（２５）と、光ファイバから構成されることが好ましいレーザービーム導管（２６）と、コリメーター（２８）と、加工品の所望の領域にレーザービームを集束する集束光学機器とを備えている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌溶接として公知である溶接プロセスの改良されたプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌溶接は、接合される部品が、摩擦によって発生される熱によって、それらの接触表面で、そして、それらの接触表面付近で、可塑化される溶接プロセスである。接合される前記部品は、下文で、“加工品”と呼ばれている。このプロセスの代表的な形態において（Ｗａｙｎｅ Ｔｈｏｍａｓ（ウエイントーマス）他による“Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ−Ｗｈｅｒｅ Ｗｅ Ａｒｅ ａｎｄ Ｗｈｅｒｅ Ｗｅ ａｒｅ Ｇｏｉｎｇ”．，ＴＷＩ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ， Ｖｏｌ．３９，Ｍａｙ／Ｊｕｎｅ １９９８（１９９８年、５月／６月、３９巻、ＴＷＩ会報の“摩擦撹拌−Ｗｈｅｒｅ Ｗｅ Ａｒｅ ａｎｄ Ｗｈｅｒｅ Ｗｅ ａｒｅ Ｇｏｉｎｇ”を参照））、摩擦は、突合せ溶接領域を可塑化するために、加工品と回転工具（加工品よりも硬い材料の）との間に生成される。一般に、工具は、大きな直径の肩部と、小さな直径の特殊形状の工具（下文で“探針”と呼ばれている）とで形成され、その探針は、接合領域に入れられて、回転されるのに対して、加工品の方に下方にそれを押しつけるために、圧力が、前記肩部に用いられる。摩擦撹拌溶接プロセスは、ＷＯ ９３／１０９３５において開示されている。
【０００３】
そのプロセスの変更態様は、ＷＯ ９９／３９８６１に記述され、そして、工具の肩部の真下の溶接材料の制限された容量に制御された加熱を与え、そして、それを可塑化するために、回転工具の前の熱源として可動誘導コイルを利用することにある。この方法において、回転探針の主な機能は、予熱された材料の流動パターンを制御することと、溶接された部材から導入される外側被膜を粉砕することとであるということが言われている。
【０００４】
摩擦撹拌溶接プロセスの前記変更態様は、とはいえ、十分に満足するものではない。誘導コイルを通流する電流によって影響を及ぼされるすべての伝導性材料が、加熱され、例を挙げると、締め付け装置や、工具の探針をも含み、それは、大いに望ましくないことである。誘導電流は、溶接の通路全体に流れ、そして、火花を形成させることがある。誘導コイルによる発熱は、いうまでもなく、伝導する材料だけに加えられ、たとえば、プラスチック、あるいは、セラミックスには加えられない。実際に、摩擦撹拌溶接の現在のテクノロジーは、その形態すべてにおいて、それが他のメタルおよび、さらに、プラスチック、媒体、低い融点セラミックスなどの非金属物質に適しているが、現在、主に、アルミニウムおよびアルミニウム合金に適用されている。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ ９３／１０９３５号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ ９９／３９８６１号公報
【非特許文献１】Ｗａｙｎｅ Ｔｈｏｍａｓ（ウエイントーマス）他による“Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ−Ｗｈｅｒｅ Ｗｅ Ａｒｅ ａｎｄ Ｗｈｅｒｅ Ｗｅ ａｒｅ Ｇｏｉｎｇ”．，ＴＷＩ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ， Ｖｏｌ．３９，Ｍａｙ／Ｊｕｎｅ １９９８（１９９８年、５月／６月、３９巻
【非特許文献２】ＴＷＩ会報の“摩擦撹拌−Ｗｈｅｒｅ Ｗｅ Ａｒｅ ａｎｄ Ｗｈｅｒｅ Ｗｅ ａｒｅ Ｇｏｉｎｇ”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それゆえ、本発明の目的は、周知の撹拌溶接プロセスおよび装置の欠点のない摩擦撹拌溶接プロセスおよび装置を提供することである。
【０００６】
別の目的は、接合される部品が、すべての物質に適用可能である手段によって加熱される摩擦撹拌溶接プロセスおよび装置を提供することである。
【０００７】
さらなる目的は、発熱の位置および加工品に達する電力の量の両方が、示され、そして、予め定められるように、精密で、そして、局部的な方法で、熱が、加工品に加えられる摩擦撹拌溶接プロセスおよび方法を提供することである。
【０００８】
さらに、別の目的は、高い融解温度の物質を首尾よく溶接することを可能とする摩擦撹拌溶接装置および方法を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的および利点は、説明が進むにつれて明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のプロセスは、従来の撹拌溶接のステップを備え、加工品に下方に押しつけられる大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入される探針を有する回転工具によって、溶接される加工品の領域に摩擦を印加するステップを含んでおり、前記工具は、溶接ラインに沿って進められ。そして、そのうえに、レーザービームを発生するステップと、回転工具の前方の溶接領域における加工品に前記ビームを平行にして、集束するステップとを備えている。
【００１１】

【００１２】
レーザービームは、加工品の所望の温度に達するに十分な力を生成することができるあらゆるレーザーシステムによって発生されることができる。レーザービームは、光ファイバケーブルによる、あるいは、他の光学手段による光線を平行にして、集束する要素に導かれる。
【００１３】
レーザービームによって加熱される加工品の温度は、たとえば、熱電対、あるいは、赤外線温度測定カメラなどのあらゆる従来の温度測定装置によってオンラインでモニタされる。レーザーエネルギーおよび加熱時間の関数として加工品の温度の予備的な較正は、別の方法として、その温度を推論するのに使用されることができる。
【００１４】
本発明は、さらに、摩擦撹拌溶接のための装置を含んでおり、その装置は、従来の撹拌溶接装置の要素を備え、大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入する探針を有する回転工具と、それを回転して、進めるメカニズムと、加工品に下方に工具の肩部を押しつけるメカニズムとを含んでいる。本発明の好ましい実施例において、工具を保持して、回転し、そして、加工品の方に下方に工具の肩部を押しつけるメカニズムだけではなく加工品をクランプで締め、そして、それらを工具に対して進めるメカニズムが、単一の機械にすべて包含されている。
【００１５】
本発明は、さらに、レーザービーム発生器と、光ファイバから構成されることが好ましいレーザービーム導管と、コリメーターと、加工品の所望の領域にレーザービームを集束する集束光学機器とを備えている。さらに、加工品を加熱するためにあらゆる集束光学機器がなくても光ファイバケーブルを使用することができる。本発明の他の実施例において、当業者には周知の従来のレーザービームステアリング光学機器が、加工品の所望の領域にビームを導くことができるファイバ光学機器の代わりに使用されている。
【００１６】
レーザービーム発生器は、市販で入手できる固体、液体、あるいは、ガス体のレーザーの中から選択される。光学コンポーネントは、レンズを平行にする単一の要素と、レンズを集束する単一の要素とを備えていることが好ましいが、反射する、回折する、あるいは、屈折する光学機器に基づくあらゆるタイプの光線平行作成および集束システムでよい。さらにまた、その装置は、回転工具が溶接通路に沿って進行するとき、レーザービームを加工品の所望の領域に集束させるために、コリメーターおよび集束光学機器および／または光ファイバ導管および／またはレーザー発生器を回転および／または移動するメカニズムを備えている。そのようなメカニズムは、オペレータによって手動で作動されることが可能であると同時に、それは、回転工具の移動の機能としてコントローラによって作動されることも可能であり、この場合、そのコントローラは、本発明の装置の一部分である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１（ＥＳＡＢ ＳｕｐｅｒＳｔｉｒ−Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｅｓａｂ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＡＢ，Ｌａｘａ， Ｓｗｅｄｅｎ（スウェーデンＬａｘａにあるＥｓａｂ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＡＢのＥＳＡＢスーパー撹拌−摩擦撹拌溶接システム）を記述するカタログから引用される内容）は、従来の摩擦撹拌溶接の先行技術の装置を概略的に例示している。符号１０、１１は、溶接により接合される加工品の２つの部分を示している。符号１２は、回転工具の上方部分を示し、それは、図外の手段によって、加工品に押しつけられる広い肩部１３を有している。矢印１４は、その工具の回転を示している。矢印１６は、溶接ラインに沿う工具の直線的動きの方向を示し、そして、矢印１７は、加工物に工具を押しつける力を示している。領域１８は、溶接領域である。
【００１８】
回転工具の最低部分を構成し、そして、溶接される材料に挿入される探針１９は、見えないので、それは、図１において符号で示されているにすぎない。図２Ａおよび図２Ｂは、そのような探針の２つを例示している。図２Ｂおよび図２Ｃには、それらの上方部分に、工具の概略側面図が含まれていて、肩部は、符号１３により、そして、探針は、符号１９により示されている。各図の下方部分は、探針の概略断面であり、その形状を示している。図２Ｂおよび図２Ｃの内容は、Ｗａｙｎｅ Ｔｈｏｍａｓ（ウエイントーマス）他の引用技術から引用されている。これらは、その先行技術中に存在するいくつかの特殊で、複雑で、そして、比較的費用のかかる探針の２つにすぎない。対照的に、図２Ａは、以下の例で記述される溶接を行うのに使用される工具を概略的に示している。この探針は、単に、直径がほぼ１０ｍｍ−１５ｍｍで、溶接される材料の厚さに適した長さの円筒状ピンである。代表的な非制限的な寸法は、図中に示されている。
【００１９】
図３は、本発明の実施例を概略的に例示している。全体として、２０で示されている工具は、従来のものであり、公知であり、そして、先行技術に例示されているすべてである。２１は、その回転を示し、そして、矢印２２は、溶接ラインに沿うその移動方向を示している。２３は、溶接の上方表面である。２４は、工具の最低部分を構成する探針を符号で示している。本発明による、つまり、公知であり、そして、先行技術に例示されているすべての代表的な探針は、図２Ａ乃至図２Ｃに例示されている。
【００２０】
符号２５は、レーザービーム発生器に接続される光ファイバケーブルである。レーザービーム発生器は、従来のものであるから、図示されていない。符号２６は、コリメーターを概略的に示し、そして、符号２７は、集束光学機器を概略的に示している。符号２８は、回転工具の前の領域２９に集束されるビームを概略的に示している。通常、レーザービームは、探針の前において加工表面にほぼ５ｍｍ当たり、加工品の局部的な融解を防止し、そして、溶接ゾーン全体に比較的均一な予熱をもたらすために、焦点から少し外れるように調整される。そのスポットをシフトすることによって、溶接される加工品が、融解温度において比較的大きな差異を有する場合、異なる加熱が、その２つの部品に印加される。時には、集束光学機器は、底部から加工品を、そして一方、上端側から工具一式を加熱するために、レーザービームを使用するように構成される。さらに加えて、吸収性コーティングが、時には、レーザーエネルギーの吸収を増大させるために溶接の領域に施される。
【００２１】
図４は、本発明によるレーザーおよび光学システムを概略的に表わしている。図に示されている要素のすべては、多くの供給源から市販で入手できる。以下に記述される例を行うのに使用される要素は、Ｕ．Ｓ． Ｌａｓｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｗｙｃｋｏｆｆ，ＮＪ．Ｕ．Ｓ．Ａ．（アメリカ合衆国ニュージャージー州ウィコクのＵ．Ｓ．レーザーコーポレーション）により供給された。これは、２０ｋＷの最大入力電力を必要とし、そして、１０６４ｎｍの波長で、最大７００ワットの常時出力電力を供給する水冷式Ｎｄ：ＹＡＧレーザーである。
【００２２】
符号３２は、レーザービームの発散を制限し、そして、それをファイバ光学入力カップラにマッチさせるのに必要なアップコリメーターである。符号３３は、ビーム余剰電力メータであり、そして、符号３４は、ファイバ光学入力カップラである。その入力カップラは、３７．５ｍｍの多要素結合レンズだけでなくレンズとケーブルとのためのサポートおよび調節要素を備えている。符号３５は、５メートルの長さの従来の８００ミクロンコアステップインデックス光ファイバ（ケーブルは、いうまでもなく、レーザーから溶接探針への間隔により、異なる長さでよい）である。符号３６は、出力カップラ３７へのファイバ光学ケーブルの結合を表わしている。その出力カップラは、直径が３０ｍｍの２つの単一要素レンズを含んでいる。第１のレンズは、６０ｍｍ焦点距離の平行光線作成レンズであり、そして、第２のレンズは、７５ｍｍ焦点距離の対物レンズである。符号３８は、加工表面に方向付けられる集束されたビームである。
【００２３】
オペレーションにおいて、レーザーアセンブリは、加工表面近くのテーブルに取り付けられている。たとえば、図２Ａに示されているタイプの工具は、従来のフライス盤の工具ホルダーに取り付けられており、そして、接合される部品（たとえば、突合せ溶接されるＭｇメタルの２つのプレート）は、フライス盤のテーブルの上に並行してクランプで締められ、そのために、工具は、移動テーブルが、回転工具に対して加工品を運ぶとき溶接される継目の上に配置されたままであり、そして、摩擦撹拌溶接が行われる。
【００２４】
本発明の方法において、レーザーの出力カップラは、フライス盤の工具ホルダーハウジングに取り付けれ、そして、焦点スポットから少し外れてレーザーエネルギーが、溶接される２つの部品の間の継目に向くように整列されている。そのスポットは、それが、工具の探針の直径（１０ｍｍ−１５ｍｍ）とほぼ等しい直径を有し、そして、探針の前方ほぼ５ｍｍに向くように調整される。
【００２５】
本発明のプロセスにおいて、その継目は、第一に、レーザーによって予熱される。そのメタルが、適切な温度に加熱されるとき、工具は、回転し始め、そして、その継目に入れられる。同時に、フライス盤のテーブルが、移動し始め、そして、摩擦の熱が、摩擦撹拌溶接を行うのに必要な条件を提供するために、レーザーによって供給される熱に加えられる。
【００２６】
１つのテストにおいて、レーザーは、２つのＭｇプレート間の継目を３００℃−３２０℃に予熱するように使用された。工具が、回転を開始し、継目に入れられた後、その温度は、４００℃−４２０℃に上昇し、その温度で、溶接が行われた。この実施例は、先行技術を超える本発明の主な利点の１つを立証している。本発明の方法において、溶接に必要な温度に達するために必要とされる熱エネルギーの約３５％だけが、回転工具によって供給されている。この結果の１つは、加工品を固定するのに必要とされる力が、すっと小さく、クランプで締める必要条件を簡約する。
【００２７】
次の実施例は、いずれの方法においてもそれを制限することのない本発明を例示している：
４ｍｍの厚さの２つのＭｇ ＡＺ９１合金プレートが、従来の３ＨＰ Ｐｉｎｎａｃｌｅ Ｔｕｒｒｅｔ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ（３ＨＰ Ｐｉｎｎａｃｌｅ Ｔｕｒｒｅｔ垂直フライス盤）のテーブルにクランプで締められた。その部品は、２３ｍｍの４つのボルトで、従来の締め付けジグを使用してテーブルにクランプで締め付けられた。９ｍｍの直径、４ｍｍの長さのピン（図２Ａに概略的に示されているタイプの）を有するまっすぐな２０ｍｍの直径の高速スチール製円筒状探針は、フライス盤のスピンドル上の工具ホルダーに挿入された。そのスピンドルの回転速度は、約１７００ｒｐｍであった。
【００２８】
使用されるレーザーおよび光学システムは、上記に記述され、そして、図４に概略的にに例示されているものであった。そのレーザービームは、５ｍの長さの８００μコアステップインデックスファイバ光学ケーブルを用いて、溶接テーブルに透過された。そのビームは、回転する探針の前方に１０ｍｍのスポットを形成するように、焦点が外された。レーザーの力は、約２００Ｗに設定された。サンプル温度が、約３２０℃に達するとき、回転する探針は、２つのプレート間の継目に入れら、そして、フライス盤のテーブルは、約５０ｍｍ／分の速度で進められた。発熱効果により、材料への探針の貫通とテーブルに対するスピンドルの動きの両方に対する抵抗は、ごくわずかであった。
【００２９】
図５乃至図７は、写真の複写である。図５は、レーザー支援摩擦撹拌溶接（ＬＡＦＳＷ）によって接合される２つのＭｇ．ＡＺ９１プレートの全体図である。実施例において、部分貫通溶接が得られた。図６は、図５の溶接を示す断面図である。図７は、図６の矢印によって表示されている領域における溶接のミクロ構造を示している。それらのプレートは、目視可能なゆがみなく溶接され、そして、欠点は、溶接部のミクロ構造には検知されなかった。
【００３０】
本発明の実施例は、例として示されたのであり、本発明は、その精神から逸脱することなく、あるいは、特許請求項の範囲を越えることなく、多数の修正、変更および改作が行われるということが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】先行技術による従来の摩擦撹拌溶接装置の概略図である。
【図２Ａ】本発明に使用されている探針の概略図である。
【図２Ｂ】従来の摩擦撹拌溶接装置の工具に使用されている探針の概略図である。
【図２Ｃ】従来の摩擦撹拌溶接装置の工具に使用されている探針の概略図である。
【図３】本発明による装置の実施例の概略図である。
【図４】本発明によるレーザーおよび光学システムの実施例の概略図である。
【図５】ＬＡＦＳＷによって接合される２つのＭｇＡＺ９１プレートを示している写真の複写である。
【図６】図５のプレートの断面を示している写真の複写である。
【図７】図６の溶接部のミクロ構造を示している写真の複写である。

Claims (14)

1. 摩擦撹拌溶接プロセスであって、前記プロセスが、従来の撹拌溶接のステップを備え、加工品に下方に押しつけられる大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入される探針を有する回転工具によって、溶接される加工品の領域に摩擦を印加するステップを含んでおり、前記工具が、溶接ラインに沿って進められ、そして、そのうえに、レーザービームを発生するステップと、前記回転工具の前方の前記溶接領域における前記加工品に前記ビームを平行にして、集束するステップとを備えている、摩擦撹拌溶接プロセス。
2. 前記レーザービームによって印加される力が、前記加工品を０．４Ｔ_ｍとＴ_ｍとの間に含まれる温度に導くようなものであり、Ｔ_ｍは、前記加工品のＫｅｌｖｉｎ（ケルヴィン）度におけるの融解温度である請求項１に記載の摩擦撹拌溶接プロセス。
3. 摩擦撹拌溶接のための装置であって、前記装置が、従来の撹拌溶接装置の要素を備え、大きな肩部を有し、そして、溶接される材料に挿入する探針を有する回転工具と、前記工具を保持し、それを回転して、進めるメカニズムと、前記加工品に下方に前記工具の肩部を押しつけるメカニズムと、前記加工品をクランプで締めるメカニズムとを含み、そして、さらに、レーザービーム発生器と、光ファイバから構成されることが好ましいレーザービーム導管と、コリメーターと、前記加工品の所望の領域にレーザービームを集束する集束光学機器とを備えている、摩擦撹拌溶接のための装置。
4. 前記レーザービーム発生器が、前記加工品の所望の温度に達するのに十分な力を生成することができる固体、液体、あるいは、ガス体のレーザーの中から選択される、請求項３に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
5. 前記レーザービーム発生器が、水冷式Ｎｄ：ＹＡＧレーザーである請求項４に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
6. 単一部分からなり、比較的費用のかからない機械が、前記加工品をクランプで締めるメカニズムと、前記工具を保持し、それを回転して、進めるメカニズムと、前記加工品に下方に前記工具の肩部を押しつけるメカニズムとを備えている請求項３に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
7. 単一部分からなり、比較的費用のかからない機械が、従来のフライス盤である請求項６に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
8. 前記レーザービーム導管が、従来のレーザービームステアリング光学機器から構成されている請求項３に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
9. 前記レーザービーム導管が、光ファイバから構成されている請求項３に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
10. 前記コリメーターが、反射する、回折する、あるいは、屈折する光学機器に基づくあらゆるタイプの平行光線作成システム、好ましくは、レンズを平行にする単一の要素を備えている請求項３に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
11. 前記集束光学機器が、反射する、回折する、あるいは、屈折する光学機器に基づくあらゆるタイプの集束するシステム、好ましくは、レンズを集束する単一の要素を備えている請求項３に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
12. 集束する手段が、前記光ファイバから前記加工品の所望の領域の方に出て行く前記レーザービームを集束するのに使用されない請求項９に記載の摩擦拡販溶接のための装置。
13. 吸収性コーティングが、レーザーエネルギーの吸収を増大さするために、前記溶接の領域に施される請求項３に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。
14. さらに、前記回転工具が前記溶接通路に沿って進行するとき、前記レーザービームを前記加工品の所望の領域に集束させるために、前記コリメーターおよび集束光学機器および／または前記光ファイバ導管および／または前記レーザー発生器を回転および／または移動するメカニズムを備えている請求項３に記載の摩擦撹拌溶接のための装置。